GMO: Mikroorganizmy modyfikowane genetycznie – zastosowanie w mleczarstwie

Do naturalnych mechanizmów wymiany informacji genetycznej (czyli rekombinacji genetycznej) pomiędzy komórkami drobnoustrojów w warunkach in vivo należą: koniugacja, transdukcja i transformacja. Te mechanizmy pozwalają na przenoszenie informacji genetycznej pomiędzy różnymi szczepami, gatunkami, a także pomiędzy wybranymi rodzajami drobnoustrojów. Należy podkreślić, że każdy z tych mechanizmów naturalnie występuje w przyrodzie.

Koniugacja jest to płciowy proces przekazywania informacji genetycznej (głównie plazmidu) za pośrednictwem mostka koniugacyjnego, który tworzony jest pomiędzy dwiema komórkami bakteryjnymi. Plazmid jest to mobilna cząsteczka DNA, niezależna od chromosomu, występująca w cytoplazmie komórki, najczęściej u priokariotów (w tym u bakterii) i najczęściej niebędąca nośnikiem zapisu genetycznego warunkującego przeżycie komórki. Plazmid, jako nośnik informacji genetycznych, może być dosyć nietrwały ze względu na stosunkową łatwość przekazywania plazmidu pomiędzy komórkami lub po prostu gubienia go przez komórki w warunkach stresowych. Utrata plazmidu przez komórkę wiąże się z bezpowrotną utratą cech zapisanych na tym nośniku. Na plazmidach mogą być kodowane cechy komórek tj.: zdolność do fermentacji cukrów, wytwarzania związków aromatycznych, bakteriocyn, egzopolisacharydów, aktywność proteolityczna, lipolityczna, oporność na bakteriofagi, antybiotyki itp. Zdolność do przemieszczania plazmidów jest jednocześnie wadą i zaletą, gdyż zakodowane cechy mogą być utracone albo nabyte wraz z plazmidem podczas życia komórki bakteryjnej, w czego wyniku powstaje komórka zubożona lub wzbogacona o określoną cechę. Ponadto, jak wspomniano, komórki drobnoustrojów mogą wymieniać się plazmidami na drodze koniugacji.

Transdukcja jest to mechanizm przekazywania informacji genetycznej za pośrednictwem bakteriofagów. Bakteriofagi są to specyficzne wirusy, które atakują i replikują się (powielają) w komórkach bakteryjnych (są to tzw. wirusy bakteryjne). Jak każdy wirus, bakteriofagi są zbudowane z materiału genetycznego otoczonego białkami strukturalnymi, które tworzą kapsyd. Bakteriofagi charakteryzują się specyficznością, tzn. w celu namnażania się faworyzują jeden gatunek bakterii lub nawet jeden jego szczep. Na skutek penetracji komórki gospodarza przez bakteriofag może dojść do rekombinacji informacji genetycznej komórki bakteryjnej i bakteriofaga.

Transformacja genetyczna jest natomiast mechanizmem wprowadzania materiału genetycznego bezpośrednio z otoczenia do wnętrza komórki. Najczęściej transformacji podlegają plazmidy lub inne fragmenty materiału genetycznego uwolnione do środowiska przez inne komórki. Aby doszło do pochłonięcia materiału genetycznego z zewnątrz do wewnątrz komórki w warunkach naturalnych, komórka musi być w tak zwanej fazie kompetencji, tzn. musi być na etapie syntezy odpowiednich białek transportujących materiał genetyczny. Kompetencja komórki zależy od stanu fizjologicznego i fazy wzrostu mikroorganizmu. Takie wprowadzanie materiału genetycznego bezpośrednio do komórki zdarza się w naturze dość powszechnie.

Wszystkie wymienione mechanizmy powodujące zmiany w zapisie genetycznym są typowe dla zjawisk naturalnych i nie podlegają przyporządkowaniu do technik modyfikacji genetycznej, zgodnie z załącznikiem I do Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/41/WE z dnia 6 maja 2009 r. w sprawie ograniczonego stosowania mikroorganizmów zmodyfikowanych genetycznie. Dopiero manipulacja w obrębie genomu w ramach inżynierii genetycznej poza organizmem, poza komórką, jest klasyfikowana jako technika modyfikacji genetycznej.

Do zabiegów o charakterze modyfikacji genetycznych zaliczyć można: wprowadzanie do komórki organizmu dodatkowych kopii jego własnego genu (powielanie genu), co skutkuje wzmocnieniem określonej cechy, wprowadzenie do komórki organizmu genu pochodzącego z innego gatunku lub zmiana aktywności naturalnie występujących genów w organizmie zmodyfikowanym. Wśród technik wykorzystywanych w procesie modyfikacji genetycznych najczęściej wykorzystywane są: techniki rekombinacji DNA poprzez insercję (wstawienie) fragmentów nici DNA z wykorzystaniem nośnika, bezpośrednie wprowadzenie nowej informacji genetycznej lub poprzez hybrydyzację komórek. Rekombinacja kwasów nukleinowych obejmuje tworzenie nowych kombinacji materiału genetycznego przez insercję do nośnika (na przykład: wirusa lub plazmidu) fragmentów DNA wytworzonych poza organizmem, a następnie wprowadzenie tego konstruktu do organizmu gospodarza, w którym wprowadzony fragment naturalnie nie występuje. Bezpośrednie wprowadzenie nowej informacji genetycznej najczęściej odbywa się na drodze mikroiniekcji lub mikrokapsułkowania, natomiast hybrydyzacja komórek jest procesem wymuszonego łączenia komórek w celu fuzji ich materiału genetycznego. W celu realizacji inżynieryjnej modyfikacji genetycznej genomu gospodarza wykorzystywane są też mechanizmy naturalne, ale modyfikowane w taki sposób, aby wymusić ściśle określoną rekombinację informacji genetycznej. I tak na przykład, mechanizm transdukcji wykorzystuje się do wprowadzenia fragmentów DNA do informacji genetycznej gospodarza, ale po wcześniejszym precyzyjnym sprofilowaniu genomu bakteriofagów wykorzystywanych w tym procesie, jako nośnik nowej informacji genetycznej. Podobnie transformacja (czyli transport genomu z otoczenia) jest wykorzystywana, ale wymusza się stan kompetencji, czyli jej zwiększonej zdolności przyjmowania fragmentów DNA z otoczenia, np. na drodze elektroporacji. Elektroporacja polega na zastosowaniu krótkich impulsów elektrycznych o wysokim napięciu, co w efekcie prowadzi do destabilizacji i utworzenia porów w błonie komórkowej, przez które fragmenty obcego DNA przedostają się do wnętrza komórki bez żadnego problemu. Metoda ta jest przydatna szczególnie w przypadku mikroorganizmów, dla których inne sposoby wprowadzenia obcego DNA są mało wydajne, pracochłonne lub zawodne.